Fundamenty elektroniki – analogie hydrauliczne

We wcześniejszych artykułach tego cyklu omówiłem dwa podstawowe wzory, dwa prawa Kirchhoffa oraz bardzo ważną kwestię źródeł napięciowych i źródeł prądowych. W tym artykule zajmujemy się brzemiennymi w skutki kwestiami dotyczącymi nauczania elektroniki za pomocą analogii hydraulicznych.

Podstawy elektroniki przewodowej, zwłaszcza te dotyczące prądu stałego, są dość proste. Ale elektronika bezprzewodowa, a raczej elektromagnetyzm to bardzo szeroka dziedzina, a szczegóły są skomplikowane i trudne. Tych szczegółów nie można poznać i zrozumieć bez znajomości matematyki i to wyższej matematyki. Naprawdę bez wyższej matematyki się nie obejdzie, jeśli ktoś faktycznie chce zrozumieć elektronikę, zwłaszcza elektronikę bezprzewodową.

Jednak w wielu prostszych „zastosowaniach przewodowych” można te trudniejsze szczegóły pominąć, zaniedbać i przedstawić zagadnienie w sposób uproszczony. I tak robiono to od dawna.

Już w połowie XIX wieku wykorzystywano tak zwaną analogię hydrauliczną, która wtedy ułatwiała zrozumienie nowej i ogromnie tajemniczej wówczas elektryczności. Ale wtedy zupełnie nie rozumiano prawdziwej natury elektryczności. W połowie XIX wieku analogia hydrauliczna wydawała się znakomita, pełna i niesprzeczna z prawdą. Ale pod koniec XIX wieku, za sprawą takich tęgich umysłów jak Faraday, Maxwell i Heaviside okazało się, że prawda jest inna, dziwna, nieporównanie trudniejsza. Analogia hydrauliczna na pewno nie jest „całą prawdą i fundamentem elektryczności”, niemniej warto ją wykorzystywać, ale ze świadomością jej wad, ułomności i pułapek.

Analogia hydrauliczna – trzy różne wersje

Analogia hydrauliczna jest bardzo prosta, ale niestety jest tylko częściowa – ułatwia wprawdzie uchwycenie aspektów najprostszych, ale niestety mocno utrudnia zrozumienie kwestii trudniejszych. W analogii hydraulicznej odpowiednikiem prądu elektrycznego I jest po prostu przepływ wody. Czym więcej (wody) przepływa tym większe natężenie I. UWAGA! Wielkość, czylinatężenie prądu nie jest prędkością ruchu, tylko ilością wody przepływającej w jednostce czasu. Jeśli rura jest gruba, czyli ma duży przekrój, to dana ilość wody w jednostce czasu będzie przepływać z małą prędkością. A jeżeli rura jest cienka, to prędkość musi być większa, żeby uzyskać przepływ danej ilości wody w jednostce czasu. To prawda, ale nie mieszaj prędkości z natężeniem prądu. W elektronice interesuje nas prąd (natężenie prądu), a nie prędkość ruchu nośników (elektronów), która jest śmiesznie mała.

Odpowiednikiem napięcia elektrycznego U w analogii hydraulicznej jest ciśnienie wody, a także… wysokość.Napięcie słusznie możemy traktować jako „ciśnienie elektryczne”. Można je też traktować jako „wysokość elektryczną”, a raczej jako „różnicę wysokości elektrycznych”, co ma związek z potencjałem elektrycznym, ale potencjał to dość trudne pojęcie, do którego mogę wrócić na życzenie Czytelników.

W analogii hydraulicznej odpowiednikiem przewodów elektrycznych (drutów) są rury, w których płynie woda. Podobnie jak przewody mają różną grubość (średnicę, przekrój poprzeczny), tak i rury w analogii hydraulicznej mają różną średnicę (przekrój), co dość dobrze obrazuje zależność rezystancji przewodów od przekroju i długości.

Analogia hydrauliczna ma przynajmniej dwie wersje. Jedna to wersja „ciśnieniowa” „pozioma”, druga – wersja „wysokościowa”, „pionowa”.

Analogia ciśnieniowa – pozioma. Mamy tu zamkniętą instalację, w której woda krąży dzięki obecności pompy – prościutki przykład na rysunku 1.

Lepszy obrazek pokazujący taką analogię to rysunek 2.

Analogia wysokościowa – pionowa. Tutaj mamy układ hydrauliczny z rurami, ale po części otwarty, otwarty od góry – prosty przykład na rysunku 3.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w marcowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 3/2026). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite, gdzie dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 15 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 3/2026 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.